第5章水位测量

第5章水位测量学习要求

掌握液体液面测量的基本原理、几种液面计的形式及构成，常温及高温液面测量的的原理、基本结构；测量产生误差的原因及如何消除。5.1水位测量的意义液面：在恒定容积容器中，液体与其上层蒸汽或其它气体的分界面。液位：容器中液体介质的高低。水位：容器中液体介质为水时的对应概念。电厂中水位测量的意义：汽包水位加热器水位凝汽器水位

按工作原理可分为静压式水位计、就地式水位计、差压式水位计、浮力式水位计、电容式水位计，电接点水位计，吹气式水位计，光电式水位计、压阻式水位计

按安装位置可分为就地水位计，远传水位计（对汽包水位计也可称低置水位计）

按显示方式可分为模拟式水位计和数字式水位计

水位测量仪器分类：火力发电厂常用水位计（1）静压式水位计。利用液柱高度与液体静压的比例关系显示水位。（2）就地式水位计。利用连通管原理显示水位，如玻璃管式、玻璃（云母）板式水位计和双色玻璃水位计等。（3）差压式水位计。利用液体静力学原理将水位转换成差压，再通过测量差压来显示水位。仪表由平衡容器、差压计和二次仪表等组成。如双波纹管差压计、膜片式差压计，力平衡式电动变送器和电容式差压变送器等。（4）电接点水位计。利用锅炉饱和蒸汽及其凝结水的电导率有较大差异的原理测量水位。分为数字式和模拟式两类。（5）浮力式水位计。利用漂浮于液面上或沉没入液体中的浮子，其位置随液位变化而变化的原理测量水位。分为浮子带钢丝绳或钢带的、浮球带杠杆的和沉筒式等。（6）电容式水位计。（7）光电式水位计。静压式水位计（1）敞口容器测量注意：压力计的测量基准点应与最低液面一致，否则必须对这段液位差进行补偿。（2）闭口容器测量工作原理：不可压缩液体的液柱高度与液体的静压成比例测量容器内液面底部与液面上部的压差Δp：注意：为消除容器内密封气体压力的影响，可在容器上部设置取压导管。5.2

连通式就地水位计又称直读式液面计，适用于低粘度液体测量。玻璃管液位计：适用于无压或极低压力容器玻璃板液位计：适用于中低压锅炉汽包水位测量云母片液位计：适用于中高压锅炉汽包水位测量双色水位计：适用于中高压锅炉汽包水位测量电接点液位计：适用于各种压力锅炉汽包水位测 量，也可用于凝汽器和工业水箱5.2.1玻璃管式水位计玻璃管式玻璃板式适用于无压或极低压液位测量5.2.2云母水位计将玻璃板换为云母片，即为云母水位计。适用于中高压水位测量。水位计处于汽包外发生散热；水位计内水温低于汽包压力下水的饱和温度；上部饱和蒸汽不断凝结，水温接近饱和温度；水温沿高度逐步降低；水的密度随温度变化而变化；设水位计内水的平均温度为ta，则其平均密度为ρa，汽包内饱和水密度为ρw；由于密度ρa≠ρw；造成水位计显示水位H’≠汽包实际重量水位H。根据电厂的实际运行经验，额定工况下取：H—汽包内实际水位；H’—水位计显示水位；L—汽水连通管高度；ρs—汽包压力下饱和蒸汽密度；ρw—汽包压力下饱和水密度；ρa—水位计内水柱平均密度；（2）汽包工作压力一定时，与汽包内水位H有关。汽包实际水位H越大，则指示误差ΔH也越大。

锅炉高水位运行时，ΔH高达100~150mm。（1）汽包内水位H一定时，与汽包工作压力有关。压力越高，对应的饱和水的密度ρw越小，饱和蒸汽的密度ρs越大，水位误差ΔH越大。误差分析（3）与云母水位计环境温度有关。环境温度越低，水位计散热越多，水位计中水的密度ρa越大，测量误差ΔH也就越大。保护措施（1）缩短云母水位计的汽水连通管高度L；

（2）对云母水位计的汽水连通管加保温；（3）将云母水位计中心线的安装位置偏低于汽包中心线约值，尽量接近实际水位。5.2.3双色水位计1．双色水位计利用光学系统改进显示方式，使得汽柱显红色，水柱显绿色。光源8发光；经过红色和绿色滤光玻璃10和11，形成红绿双色光；双色光经组合透镜12射入水位计本体3中的测量室5；测量室5截面为梯形，其内的水或蒸汽分别形成水棱镜或汽棱镜；水棱镜和汽棱镜对红光和绿光的折射效果不同：

红光在汽棱镜中折射到达观察窗口17，汽柱显红色；

绿光在水棱镜中折射到达观察窗口17，水柱显绿色。

加热室4通入蒸汽加热保温2．无盲区低偏差双色水位计在双色水位计基础上改进而来。双排交错显示消除显示盲区；凝汽罐19内凝结的饱和水，置换双色水位计11内的水，加速水循环；凝结饱和水含盐低，减少云母片结垢；饱和蒸汽进入伴热管15，对表体4进行加热保温；伴热管15的排水管17接至汽包下15m处，保证伴热管15内始终充满饱和蒸汽。3．工业电视监视汽包水位通过工业电视实现远距离观察水位计水位指示。5.3差压式水位计主要由水位－差压转换容器（又称平衡容器）、压力信号导管及差压计三部分组成。由平衡容器把水位信号转换成差压信号，经差压信号导管传送至差压计，通过差压计显示水位的高低。

工作原理：流体静力学原理。平衡容器分为：单室平衡容器和双室平衡容器；压力等级分为：中压、高压、超高压、亚临界和超临界等。平衡容器：能造成一个恒定的水静压力，并将之与被测水位的静压力比较，输出二者之差。（一）简单的平衡容器平衡容器恒定水静压：汽包水位水静压：蒸汽凝结水溢流形成恒定水静压力使用中，通常设汽包正常水位H0为零刻度。对于带加热套的平衡容器产生误差的原因：1、由于平衡容器内温度变化造成的密度误差；2、由于汽包压力变化造成的密度差(ρ’-ρ”)变化误差。如何消除或减小误差:1、改进平衡容器，力图得到仅与水位有关的差压值；2、对平衡容器输出的有误差的信号引入压力校正。（二）平衡容器的改进对于带加热套的平衡容器：额定压力pN时的压差ΔpN和任意压力p时的压差Δp：误差：密度变化引起的平衡容器输出误差曲线图结论：正压室静压力变化大于负压室静压力变化。改进的平衡容器之一：正压室分两段，l段为补偿段。如果只考虑正常水位，令ΔH=0若压力在p~pN范围内能使误差得到补偿，即：则补偿段长度：补偿器假定一：水位处于上限时，平衡容器的输出差压等于零；假定二：水位处于下限时，平衡容器的输出差压等于差压计的上限。设：p=pN，ΔH=-H0，输出差压为Δpmax，则：上面两式联立，求出L和l，二者一一对应的关系在正常水位（零水位）附近有较好的补偿效果不能消除平衡容器内冷凝水密度ρ1随温度变化带来的误差改进的平衡容器之二在加热套中多加了个补偿器补偿器补偿器补偿器将两式相除，得：测量压差Δp和补偿压差Δp’分别为：以Y为输出，Y仅与水位有关，补偿了密度变化的影响。（三）汽包水位信号的压力校正在差压信号输出回路中，利用压力校正电路，对差压信号进行校正。对密度可按精度要求，采用多段直线拟合。式中的系数ai，Ki，aj，Kj，可依据水和水蒸气密度表，按需要的精度来拟合。有加热套无加热套5.4电接点水位计临界参数以下，炉水电阻率小于蒸汽电阻率。测量筒长度由水位测量范围决定；直径由电接点数目决定；电接点数目15，17，19;与筒壳良好绝缘；绝缘材料：超纯三氧化二铝(高压、超高压)，聚四氟乙烯(中、低压)；电接点位于炉水中，处于导通状态；电接点位于蒸汽中，处于开路状态；（1）散热引起的误差（连通式共有）。由于热损失，水位容器内的温度低于饱和温度，故容器内的水位较汽包实际水位低。为了减小此项偏差，应对水位容器加以保温。（2）不连续指示引起的误差（盲区）。由于电接点之间有一定的间距，当水位处于两电极之间时，仪表没有显示变化而造成指示误差，此误差等于两电极之间距。

不宜作调节信号。电接点水位传感器的主要误差来源主要有以下两个方面：b双色水位显示a氖灯显示模拟式水位显示和数字式水位显示两类。1、模拟式水位显示电接点位于水侧，电触点接通：R1产生电压降，VD1整流，C1和R2滤波；R3产生较大正偏压，导致V1导通；V2偏流增大，随即导通，绿灯亮；V3偏压小于阀电压而截止，红灯灭。电接点位于汽侧，电触点断开：R1无电压降R3无正偏压，导致V1断开；V2无偏流，随即断开，绿灯灭；R6产生正偏压，导致V3导通，红灯亮。2、数字电接点显示仪表DYS—19数字式水位计原理方框图水面下最近电接点输出“1”，水面上最近电接点输出“0”；全部电接点中，仅水面上下相邻两电接点的输出组合具有（1，0）特性；将其转换为数字量度。①显示三位数字和＋、－号（显示器件为辉光数字管）；②报警50mm水位报警显示并有接点信号输出；③保护200mm水位保护接点信号输出；④输出模拟信号：0~10mA（对应-300~+300mm）。

3.汽包水位内置式电极传感器图

汽包水位内置式电极测量装置示意图1—固定支架；2—电极传感器；3—传感器的延长电缆；4—水侧取样管；5—汽侧取样管；6—显示仪表；7—电缆；8—引出箱；9—固定座；10—密封垫（环）11—压盖秦皇岛华电测控设备有限公司研发（专利号ZL200420073417.2）5.5其它水位计磁翻板水位计属于浮力式水位计。薄导磁金属片制成翻版片，两面涂上不同颜色，如红、绿色；翻版片排列组成翻版列，安装在浮子旁；浮子上装有磁钢；浮子位置随液位变化而变化；磁性浮子升降时，带动翻版片绕轴翻转；浮子以上翻版片是同一面颜色；浮子以下翻版片是另一面颜色；特点：显示与介质分开。利用通电金属丝与液、气之间传热系数差异，及其电阻值随温度变化的特点进行液位测量。液体传热系数比其蒸气传热系数大1~2个数量级。通过恒定电流的热丝，其在液体和蒸气环境中受冷却效果不同，浸没于液体时的温度比暴露于蒸气的温度低。液面的变动，引起热丝电阻的变化，通过测量电阻值来判断液面的位置。一、热电阻液位计5.6低温液体液面的测量测量过程中应尽量减少传向低温液体的热量。工作原理：在低温容器多个不同位置处(如底部、中部和下部等)，分别安装液面传感器，通过测量电阻值大小，大概判断出液面的位置。（1）定点式液面计电阻（碳）47Ω，22Ω加热丝（锰铜丝）0.05mm,200Ω工作电流:40mA

处于低温液面下的电阻，液体导热性好，电阻温度低，电阻值大；处于低温液面上的电阻，蒸气导热性差，电阻温度高，电阻值小。特点：结构简单，测量电路要求不高，适用范围广，灵敏度较高。广泛用于各种低温液体液面的测量。（2）连续式液面计显示液面高度工作原理：在低温容器中插入液面传感器，传感器位于液面上、下两部分长度，随液面的变动而改变，故传感器的平均电阻随液面的变化而变化，通过测量传感器的平均电阻值来测量出液面的位置。调整加热丝(锰铜丝)工作电流传感器铂电阻二、超导式低温液面计工作原理：某些金属或合金在低温下具有超导性能，浸入液体时呈现超导态，电阻为零；未浸入液体时呈现正常状态，电阻为某一值。（1）定点式液面计探头电阻：铌钛线绕制，直径<0.1mm，长度<300mm，正常态阻值>40Ω加热丝：康铜丝绕制，直径0.08mm，长度50mm探头浸没在液体中，指示灯亮；探头处于液面之上，指示灯变暗甚至熄灭。调整指示灯亮度（2）连续式液面计工作原理：液面高度变化，导致总电阻变化，进而导致电路两端电压变化(电流不变时)。超导式低温液面计标定：在带有观察缝的玻璃杜瓦中，直接观察液面的高度，来标定电压表的刻度(连续式)，或指示灯显示正常与否(定点式)。标定结果：

定点式准确度达到：±1mm连续式准确度达到：±5mm